一种激光打孔方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种激光打孔方法及系统，包括：激光器光源，用于发射基模高斯光束；分束开关，用于控制基模高斯光束是否发生偏转，当不发生偏转时，基模高斯光束通过合束开关作用于待加工的工件；偏振光束变换单元，用于当基模高斯光束发生偏转时，将偏转后的基模高斯光束转换成环形角向偏振型的拉盖尔‑高斯光束；合束开关，用于控制环形角向偏振型的拉盖尔‑高斯光束发生偏转，使得偏转后的环形角向偏振型的拉盖尔‑高斯光束与激光器光源发射基模高斯光束同轴，以使环形角向偏振型的拉盖尔‑高斯光束作用于待加工的工件。本发明专利技术可以在相同的能量输出的情况下，获得大的深宽比，小锥度的孔径。

A laser drilling method and system

And system, the invention discloses a laser drilling method: laser light source, for the launch of base mode Gauss beam; beam switch for control of base mode Gauss beam deflection, when no deflection occurs when the base mode Gauss beam on the workpiece through the beam switch; polarization beam transformation unit for when the base mode Gauss beam deflection, the basic mode Gauss beam deflection after converting ring angle Raguel Gauss beam to polarization type; combination switch is used to control the angle of Raguel Gauss to the ring beam polarization occurs after the ring deflection, deflection angle to the polarized Raguel Gauss beam with the laser light emitted from a light source base mode Gauss beam coaxial workpiece to make ring angle to the polarized Raguel Gauss light beam to be processed. The invention can obtain large depth to width ratio and small taper aperture in the case of the same energy output.

【技术实现步骤摘要】
一种激光打孔方法及系统
本专利技术属于激光加工
，更具体地，涉及一种激光打孔方法及系统。
技术介绍
随着科学技术的迅速发展，传统的加工方法已不能满足日趋复杂的孔径加工的要求。例如在高熔点金属钼板上加工微米量级孔径的微孔；在坚硬的碳化钨台金上加工直径为几十微米的小孔；在硬而脆的红、蓝宝石上加工几百微米直径的深孔等硬而脆的材质，用常规的机械加工方法是不可能的。激光束是在空间和时间上高度集中的光子流束，应用光学聚焦技术可以将其汇聚在微米量级的极小范围内，以获得105W/cm2～1015W/cm2量级的极高的光照功率密度。这是任何其它光源所不能及的。在如此高的光功率密度照射下，几乎可对任何材料实行激光打孔。激光打孔具有：不需要加工工具、加工速度快、表面变形小、可以加工各种材料等显著的优越性，所以在工程领域受到广泛的重视。光在材料的微细加工上有着与传统加工和其它特种加工手段不可比拟的优势，激光打孔热作用区小，加工精度较高，具有广泛的通用性。但是，普通的激光打孔加工装置仍然具有终止阶段的激光功率密度下降，去除材料的快速飞溅冷却，排出不及时导致孔径的深度或者锥度无法继续做到更好，孔壁的光洁度较差，孔的圆整度不好，特别是在孔壁上产生再铸层，甚至会导致孔径堵塞等现象，影响孔的精度。因此，如何提高所加工孔径的孔壁质量，增大深径比，进一步减小锥度，是激光孔径加工行业亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种复合式激光打孔方法及系统，旨在解决现有激光打孔加工装置加工的孔径的深度或者锥度无法继续做到更好，孔壁的光洁度较差，孔的圆整度不好，特别是在孔壁上产生再铸层，甚至会导致孔径堵塞等现象，影响孔的精度的技术问题。为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供一种激光打孔系统，包括：激光器光源、分束开关、偏振光束变换单元以及合束开关；激光器光源，用于发射基模高斯光束；分束开关，用于控制基模高斯光束是否发生偏转，当不发生偏转时，基模高斯光束通过合束开关作用于待加工的工件；偏振光束变换单元，用于当基模高斯光束发生偏转时，将偏转后的基模高斯光束转换成环形角向偏振型的拉盖尔-高斯光束；合束开关，用于当分束开关控制基模高斯光束发生偏转时，控制环形角向偏振型的拉盖尔-高斯光束发生偏转，使得偏转后的环形角向偏振型的拉盖尔-高斯光束与激光器光源发射基模高斯光束同轴，以使环形角向偏振型的拉盖尔-高斯光束作用于待加工的工件。其中，基模高斯光束为高斯分布的光束，其仅有一个主峰，用基模高斯光束加工工件主要目的为材料烧蚀形成孔径，完成初步的加工。熔化飞溅的剩余材料可能会因排出不及时，以及高斯光束边缘能量降低等原因造成剩余材料又冷却附着在孔壁，导致孔壁的光洁度不好、易形成裂纹等问题。而光场分布为环形的角向偏振型的拉盖尔-高斯光束其截面有两个主峰，且这两个主峰相对基模高斯光束的主峰位置对称分布，因此，可利用环形角向偏振型的拉盖尔-高斯光束对已初步加工形成的孔壁进行进一步地修饰加工，达到提高孔径质量的目的。本专利技术提供的激光打孔系统，可以通过控制基模高斯光束是否发生偏转，以控制基模高斯光束和环形角向偏振型的拉盖尔-高斯光束分别加工工件孔径的中间位置和孔壁位置，以提高加工工件的光洁度与质量，加工出高质量的孔。具体地，偏振光束变换单元可以为偏振转换器(polarizationconverter，PC)、亚波长光栅、组合波片或螺旋相位板等能够将输入基模高斯光束转换成环形角向偏振型光束的器件。可选地，该系统还包括：轴锥棱镜；轴锥棱镜位于偏振光束变换单元和合束开关之间，用于将环形角向偏振型的拉盖尔-高斯光束转换成环形角向偏振型的高阶贝塞尔光束，使其具有近无衍射传输的特性；合束开关，用于使环形角向偏振型的高阶贝塞尔光束作用于待加工的工件。本专利技术利用轴锥棱镜将环形角向偏振型的拉盖尔-高斯光束转换成环形角向偏振型的高阶贝塞尔光束，使其具有近无衍射传输的特性，可以提高加工工件的加工深度，以辅助孔径底部的继续加工以及多余材料的排出，从而实现加工大深径比，小锥度以及高的孔壁光洁度质量的孔。可选地，该系统还包括：第一反射镜和第二反射镜；第一反射镜和第二反射镜分别与激光器光源发射的基模高斯光束呈135度角和45度角，第一反射镜和第二反射镜垂直；当基模高斯光束发生偏转时，通过控制分束开关使基模高斯光束偏转90度，使其入射到与其成45度角的第一反射镜上；第一反射镜用于偏转后的基模高斯光束反射至偏振光束变换单元，第一反射镜反射后的光束与激光器光源发射的基模高斯光束的方向平行；第二反射镜与轴锥棱镜转换得到的环形角向偏振型的高阶贝塞尔光束呈45度角，用于将高阶贝塞尔光束反射至合束开关；通过控制合束开关使高阶贝塞尔光束偏转90度，使得偏转后的环形角向偏振型的拉盖尔-高斯光束与激光器光源发射基模高斯光束同轴。可选地，该系统还包括：第一准直调焦单元和第二准直调焦单元；第一准直调焦单元位于未发生偏转的基模高斯光束所在光路，其位于分束开关和合束开关之间，用于对该光路中的光束进行准直扩束与焦距调节；第二准直调焦单元位于发生偏转的基模高斯光束所在光路，其位于轴锥棱镜和第二反射镜之间，用于对该光路中的光束进行准直扩束与焦距调节。可选地，该系统还包括：输出聚焦单元；输出聚焦单元位于合束开关和待加工的工件之间，用于对合束开关输出的光束聚焦并调整光束的焦点在待加工工件的位置，使得加工效果最佳。可选地，通过控制分束开关和合束开关实现基模高斯光束和环形角向偏振型的拉盖尔-高斯光束两种类型光束切换作用于待加工工件。第二方面，本专利技术提供一种激光打孔方法，包括：发射基模高斯光束；控制基模高斯光束是否发生偏转，当不发生偏转时，基模高斯光束作用于待加工的工件；当基模高斯光束发生偏转时，将偏转后的基模高斯光束转换成环形角向偏振型的拉盖尔-高斯光束；当基模高斯光束发生偏转时，控制环形角向偏振型的拉盖尔-高斯光束发生偏转，使得偏转后的环形角向偏振型的拉盖尔-高斯光束与未偏转的基模高斯光束同轴，以使环形角向偏振型的拉盖尔-高斯光束作用于待加工的工件。可选地，该方法还包括：将环形角向偏振型的拉盖尔-高斯光束转换成环形角向偏振型的高阶贝塞尔光束，使其具有近无衍射传输的特性；环形角向偏振型的高阶贝塞尔光束作用于待加工的工件。可选地，对待加工工件进行加工的输出加工光束包括基模高斯光束或环形角向偏振型的拉盖尔-高斯光束；该方法还包括：对输出加工光束聚焦并调整光束的焦点在待加工工件的位置，使得加工效果最佳。可选地，通过控制基模高斯光束是否发生偏转，以实现基模高斯光束和环形角向偏振型的拉盖尔-高斯光束两种类型光束切换作用于待加工工件。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：1、本专利技术提供的激光打孔系统无需改动光源装置，通过加装两种不同类型光束的转换外光路系统即可实现同时利用基模光束与环形角向偏振光束在打孔加工中各自的优点，不改变激光器内部结构，安装方便简单，适用范围广泛。2、本专利技术提供的激光打孔系统可根据所加工材料的具体实际情况，通过分束开关和合束开关独立控制两种光束中每种光束的作用时间，使其综合的作用效果达到最优。3、环形角向偏振型的高阶贝塞尔光束本身具有无衍射传输的特性，可在自由空间中长距离传输而不至本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光打孔系统，其特征在于，包括：激光器光源、分束开关、偏振光束变换单元以及合束开关；所述激光器光源，用于发射基模高斯光束；所述分束开关，用于控制所述基模高斯光束是否发生偏转，当不发生偏转时，所述基模高斯光束通过所述合束开关作用于待加工的工件；所述偏振光束变换单元，用于当所述基模高斯光束发生偏转时，将偏转后的基模高斯光束转换成环形角向偏振型的拉盖尔‑高斯光束；所述合束开关，用于当所述分束开关控制所述基模高斯光束发生偏转时，控制所述环形角向偏振型的拉盖尔‑高斯光束发生偏转，使得所述偏转后的环形角向偏振型的拉盖尔‑高斯光束与激光器光源发射基模高斯光束同轴，以使所述环形角向偏振型的拉盖尔‑高斯光束作用于待加工的工件。

【技术特征摘要】
1.一种激光打孔系统，其特征在于，包括：激光器光源、分束开关、偏振光束变换单元以及合束开关；所述激光器光源，用于发射基模高斯光束；所述分束开关，用于控制所述基模高斯光束是否发生偏转，当不发生偏转时，所述基模高斯光束通过所述合束开关作用于待加工的工件；所述偏振光束变换单元，用于当所述基模高斯光束发生偏转时，将偏转后的基模高斯光束转换成环形角向偏振型的拉盖尔-高斯光束；所述合束开关，用于当所述分束开关控制所述基模高斯光束发生偏转时，控制所述环形角向偏振型的拉盖尔-高斯光束发生偏转，使得所述偏转后的环形角向偏振型的拉盖尔-高斯光束与激光器光源发射基模高斯光束同轴，以使所述环形角向偏振型的拉盖尔-高斯光束作用于待加工的工件。2.根据权利要求1所述的激光打孔系统，其特征在于，还包括：轴锥棱镜；所述轴锥棱镜位于所述偏振光束变换单元和所述合束开关之间，用于将环形角向偏振型的拉盖尔-高斯光束转换成环形角向偏振型的高阶贝塞尔光束，使其具有近无衍射传输的特性；所述合束开关，用于使所述环形角向偏振型的高阶贝塞尔光束作用于待加工的工件。3.根据权利要求2所述的激光打孔系统，其特征在于，还包括：所述第一反射镜和第二反射镜；所述第一反射镜和第二反射镜分别与所述激光器光源发射的基模高斯光束呈135度角和45度角，所述第一反射镜和所述第二反射镜垂直；当所述基模高斯光束发生偏转时，通过控制所述分束开关使基模高斯光束偏转90度，使其入射到与其成45度角的第一反射镜上；所述第一反射镜用于偏转后的基模高斯光束反射至所述偏振光束变换单元，所述第一反射镜反射后的光束与所述激光器光源发射的基模高斯光束的方向平行；所述第二反射镜与所述轴锥棱镜转换得到的环形角向偏振型的高阶贝塞尔光束呈45度角，用于将所述高阶贝塞尔光束反射至所述合束开关；通过控制所述合束开关使所述高阶贝塞尔光束偏转90度，使得所述偏转后的环形角向偏振型的拉盖尔-高斯光束与激光器光源发射基模高斯光束同轴。4.根据权利要求3所述的激光打孔系统，其特征在于，还包括：第一准直调焦单元和第二准直...

【专利技术属性】
技术研发人员：覃贝伦，秦应雄，马修泉，肖瑜，彭浩，唐霞辉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42